Reglera och förstärka höga spänningar effektivt och säkert med rätt operationsförstärkare med hög spänning

Det finns många tillämpningar som kräver operationsförstärkare som kan arbeta med höga spänningar (över 60 till 100 V) på grund av naturen hos deras ingångssignal eller utgångslastens egenskaper. Dessa tillämpningar inkluderar piezodrivkretsar i bläckstråle- och 3D-skrivare samt ultraljudstransduktorer och övriga medicinska instrument, ATE-drivkretsar och elektriska fältkällor.

Dessa är inte typiska operationsförstärkare eftersom de måste uppfylla krav på ändringshastighet för icke-resistiva (induktiva, kapacitiva) laster, kräver en starkt reglerad strömkälla och — när spänningarna överstiger 60 V — ställs konstruktören inför strikta och krävande lagstadgade krav. Beroende på tillämpning kan det även förekomma hög ström vilket leder till problem med termisk hantering.

För att åtgärda dessa aspekter finns det standardmonolitiska och hybridoperationsförstärkare med hög spänning baserade på specialprocesser. Dock kräver de särskilda hänsyn vid urval, design och layout för att konsekvent och säkert uppfylla systemets designmål. Artikeln går igenom användningen av operationsförstärkare med högre spänning (>100 V) i sina unika (men förvånansvärt) vanliga tillämpningar och hur de kan tillämpas framgångsrikt.

Varför krävs hög spänning?

Representativa tillämpningar för operationsförstärkare med hög spänning är många och varierade. De flesta av dem kräver högre spänningar och noggrann reglering eftersom de utvecklar de spänningsförstärkta versionen av deras ingångssignal med lägre spänning. I de flesta fall är dessa inte högre spänningssignaler med på/av, så en linjär förstärkare krävs snarare än en enklare funktion för högspänningsswitchning. Vissa av dessa tillämpningar, som ofta kräver en bipolär utgång innefattar:

• Piezodrivkretsar i bläckstråleskrivare, ultraljudstransduktorer och noggranna flödesmätningsventiler
• Drivkretsar för automatisk testutrustning (ATE) används för att använda andra integrerade kretsar, hybridenheter och moduler fullt ut.
• Vetenskapliga instrument som Geiger-mätare
• Högintensitetslaserdioder i LiDAR-bildsystem (light detection and ranging) för fordon
• Skapa elektriska fält som ofta används i biomedicinska test på vätskor

Många av dessa system arbetar, åtminstone delvis, vid högre spänningar, men har låga till medelhöga strömnivåer (10 till 100 mA) och är inte "högeffektsystem" i den vanliga meningen. Det innebär att designfokus ligger mer på att styra och leverera den spänning som krävs än att hantera genererad värme.

Till exempel innebär en operationsförstärkare som levererar 100 V vid 100 mA för en last ett måttligt krav på 10 W från strömförsörjningen (plus viss ytterligare effekt för interna förluster, normalt 20 till 30 %). Även om det här inte är ett "mikroeffektscenario" är det inte nödvändigtvis ett svårt termiskt scenario heller eftersom huvuddelen av dessa 10 W går till lasten och avleds därför inte av de elektroniska komponenterna. Värmeavledning är fortfarande något som måste övervägas vid konstruktion.

Mer relevant för högspänningsförstärkning via en operationsförstärkare är följande utmaningar som konstruktören ställs inför:

• Välja och tillämpa en lämplig operationsförstärkare
• Optimera högspänningsenhetens prestanda
• Tillhandahålla DC-högspänningsmatningarna för operationsförstärkaren, vilket kan vara detsamma som lastens försörjning
• Säkerställa högspänningssäkerhet och uppfylla lagstadgade krav för layout och konstruktion

Välja och tillämpa operationsförstärkare

En operationsförstärkare för hög spänning är inte detsamma som en traditionell förstärkare. I allmänhet tillhandahåller en förstärkare strömförstärkning i någon kombination av spänning och ström och normalt till en resistiv belastning. I kontrast till detta är en operationsförstärkare konfigurerad att öka spänningen samtidigt som den levererar upp till en angiven maximal ström till lasten. Dessutom kan operationsförstärkaren konfigureras för fast eller justerbar förstärkning och användas i ett antal olika topologier utöver det "enkla" spänningsförstärkningsblocket.

Historiskt har de flesta kretsprocesser som används för linjära funktioner som operationsförstärkare begränsats till maximalt 50 V. För att skapa operationsförstärkare med högre spänning la konstruktörerna till externa, diskreta högspänningstransistorer vid utgången som fungerade som spänningsförstärkare. Användningen av precisions JFET-operationsförstärkaren LT1055 från Analog Devices i en krets med kompletterande förstärkartransistorer för att ge ±120 V visas (figur 1).

Figur 1: En metod för att skapa högre utspänning från operationsförstärkare är att lägga till kompletterande förstärkartransistorer till en grundläggande enhet som Analog Devices LT1055 för att utnyttja ingångsegenskaperna hos operationsförstärkaren. Konstruktionen tar utspänningen till ±120 V. (Bildkälla: Analog Devices)

Det är en fungerande lösning, men har nackdelen med en mer komplicerad och dyr materiallista jämfört med bara den integrerade kretsen, samt oundvikliga layoutproblem. Det är också en utmaning att uppnå och bibehålla symmetriska prestanda mellan de positiva och negativa utgångssvängningarna, samtidigt som distorsionen ska minimeras genom nollgenomgångspunkten. Dessa problem är normalt ett resultat av felmatchade komponenter (huvudsakligen NPN- och PNP-transistorer) och obalans i den fysiska layouten.

Valet av en högspänningsoperationsförstärkare börjar med utvärdering av parametrar som liknar dessa för alla operationsförstärkare, även om det specifika antalet givetvis varierar. Processen förenklas något av att det finns relativt få högspänningsalternativ. Konstruktionsfrågorna handlar om tre huvudsakliga områden:

1. De viktigaste faktorerna är utgångsspänning, utgångsström, bandbredd, ändringshastighet samt enpolig jämfört med bipolär prestanda
2. Andra frågor är begränsningar i förändringshastighet och lasttyp samt temperaturrelaterade förskjutningsfel, som kan uppstå i den utgående vågformen
3. Slutligen handlar det om skydd mot termisk överlast, överström och andra problem som påverkar alla förstärkare

Övervinna begränsningar

Konstruktörerna måste bedöma vilka tillgängliga högspänningsoperationsförstärkare som inte endast uppfyller det obligatoriska kriteriet 1, men som även har tillräckligt låga felspecifikationer för att uppfylla kraven och även erbjuder tillräckligt inbyggt skydd eller kan förses med externt skydd som strömbegränsning.

Att anpassa prestandan hos en enhet som nästan uppfyller alla krav kräver gott omdöme. Till exempel kan de "bästa" tillgängliga operationsförstärkarna fortfarande komma till korta när det gäller en faktor som instabilitet vid drivning av en kapacitiv last, eller tillräcklig kapacitet för utgångens ström, eller för hög temperaturrelaterad förskjutning. Konstruktören måste välja mellan att leta efter en annan operationsförstärkare som kan ha en annan brist, eller att ta den bästa och utöka dess prestanda.

Några exempel illustrerar detta problem:

Kapacitiva laster: ADHV4702-1 från Analog Devices är en precisionsoperationsförstärkare med hög spänning (figur 2). Enheten kan drivas med dubbla symmetriska strömförsörjningar på ±110 V, asymmetriska strömförsörjningar eller en enda strömförsörjning på +220 V samt ge utspänningar på ±12 V till ±110 V med upp till 20 mA.

Dess förstärkning på 170 dB med öppen slinga (A_OL) är en avgörande faktor för dess höga prestanda. Den kan enkelt driva måttliga kapacitiva laster, men i takt med att lasten ökar kastas polerna för dess överföringsfunktion om, vilket får den att uppvisa utspänningstoppar och möjlig instabilitet på grund av minskad fasmarginal.

Konstruktörer av operationsförstärkare kom på en lösning på det här problemet. Genom att lägga till en serieresistor mellan utgången och stiftet C_Load kan den driva högre laster än 1 µF (figur 2).

Figur 2: Att placera ett seriemotstånd (R_S) mellan förstärkarutgången och C_LOAD gör att ADHV4702-1 kan driva kapacitiva laster över 1 μF. (Bildkälla: Analog Devices)

Att lägga till den här resistorn kan dock orsaka måttliga lasttoppar (figur 3).

Figur 3: R_S jmf med C_LOAD för maximalt 2 dB topp för kretsen i figur 2 vid enhetsförstärkning, matningsspänning på ±110 V och V_OUT = 100 V_p-p. (Bildkälla: Analog Devices)

Om till och med 2 dB är en för hög lasttopp för tillämpningen stödjer ADHV4702-1 extern kompensation via en kondensator som placeras mellan dess kompensationsstift och jord. Genom korrekt val av resistor och kondensator går det att säkerställa stabilitet med kapacitiva laster med nästan flat respons över hela bandbredden (figur 4).

Figur 4: Frekvenssvar vid små signaler jämfört med extern kompensation för ADHV4702-1 vid enhetsförstärkning, strömförsörjning på ±110 V, V_OUT = 100 V_p-p, R_f = 0 Ω och C_COMP = 5,6 pF. (Bildkälla: Analog Devices)

Mer utgångsströmdrivning: Texas Instruments operationsförstärkare OPA454AIDDAR ger ±5 till ±50 V från en enda strömförsörjning på 10 till 100 V. Det är halva märkvärdet för utgångsspänningen jämfört med ADHV4702-1 (100 jämfört med 200 V), men den har >2 x strömdrivningen (50 mA jämfört med 20 mA). Dock kan den här mängden ytterligare käll-/sänkström vara för låg för vissa belastningar, särskilt om lasten innefattar mindre parallellkopplade laster.

Det finns två alternativ som åtgärdar det problemet för OPA454. Först kan två (eller flera) OPA454AIDDARs parallellkopplas (figur 5).

Figur 5: Att placera två OPA454AIDDAR-operationsförstärkare parallellt ökar deras utströmsförmåga linjärt. (Bildkälla: Texas Instruments)

Förstärkare A1 fungerar som huvudförstärkare och kan konfigureras för alla operationsförstärkarkonfigurationer, inte bara som en grundläggande förstärkningsenhet. Förstärkare A2, som kan vara en eller flera, fungerar som underordnad enhet. Den är konfigurerad som en enhetsförstärkningsbuffert som spårar utmatningen från A1 samtidigt som den lägger till ytterligare drivström.

Ett alternativ för att uppnå mer ström än en enkel förstärkare eller flera slavar kan uppnå är att använda externa utgående strömförstärkningstransistorer (figur 6).

Figur 6: Ett alternativ till att placera OPA454-enheter parallellt är att använda externa utgångstransistorer. Detta kan ge ännu högre utgångsström. Här förstärker de utgångsströmmen till mer än 1 A. (Bildkälla: Texas Instruments)

Med de visade transistorerna kan konfigurationen tillföra över 1 A. Till skillnad mot användning av ytterligare OPA454-operationsförstärkare kan det kompletterande transistorparet inte ge den nivå av distorsionsfri prestanda och linjäritet som krävs. Om den här högre strömmen krävs och transistorer är den föredragna lösningen kan matchade kompletterande PNP/NPN-transistorpar krävas.

Temperaturkoefficient (tempco) och förskjutning: Som för alla analoga komponenter påverkar tempco prestanda och precision och den ingående förskjutningstemperaturdriften (dV_OS/dT) blir en del av den förstärkta utgången. För OPA454 är specifikationen för dV_OS/dT ganska låg vid ±1,6 μV/°C (typiskt) och ±10 μV/°C (maximalt) för det angivna omgivningstemperaturområdet –40 °C till +85 °C.

Om det här talet är för stort kommer tillägg av en så kallad "nollavdriftsoperationsförstärkare" som förförstärkare för högspännings-OPA454 att minska den totala förskjutningen (figur 7). Med Texas Instruments OPA735 på plats som nollavdriftsoperationsförtärkare kan tempco-förskjutningen för högspänningsförstärkaren hållas till 0,05 μV/°C (maximal) förskjutning i det första steget, vilket ger en reduktionsfaktor på 200.

Figur 7: Att lägga till operationsförstärkaren OPA735 med förskjutning nära noll i ingångsbanan för OPA454 leder till en högspänningskrets i två steg med mycket låg ingångstemperaturförskjutning. (Bildkälla: Texas Instruments)

Termiska problem och skydd

Trots att strömnivåerna kan vara måttliga kan intern avledning på grund av högre spänningar vara ett problem, enligt ekvationen effekt = spänning × ström. Termisk modellering är väsentligt med början i den grundläggande ekvationen i kopplingstemperatur: T_J = T_A + (P_D × Θ_JA), där T_J är kopplingstemperaturen, T_A är omgivningstemperaturen, P_D är effektförlusten och Θ_JA är kapslingens termiska resistans mot omgivningen. Det senare avgörs genom monteringstekniker och miljö, inklusive kylarrangemang, luftflöde och kretskortets koppar.

Med tanke på vikten av och närvaron av genererad värme inkluderar IC-kretsar som OPA454 och ADHV4702-1 termiska skyddskretsar. Till exempel utlöser kretsarna i OPA454 en automatisk termisk avstängning där utsignalen får hög impedans om dess interna enhetstemperatur når 150 °C. Den kvarstår i termiskt avstängningsläge tills den svalnat till 130 °C och aktiveras sedan igen. Den här hysteresen hindrar på/av-svängning hos utsignalen runt en termisk gräns.

Utstrålningsgränser är inte bara en funktion av statiskt uteffekt utan påverkas även av driftfrekvens och förändringshastighet, vilket kan leda till kraftig uppvärmning av utgångssteget. Det är kritiskt att studera kurvorna för säkert driftområde (SOA) för alla sådana drivkretsar med start i den statistiska SOA:n för ADHV4702-1 (figur 8).

Figur 8: Det är kritiskt att studera kurvorna för säkert driftområde (SOA). DC SOA för ADHV4702-1 motsvaras av området under kurvorna, vid omgivningstemperaturer på 25 ⁰C och 85 ⁰C med en förstärkning på 20 V och försörjning på ±110 V. (Bildkälla: Analog Devices)

Dynamiskt SOA är också ett problem. ADHV4702-1 har en intern förstärkningskrets för förändringstakt för att uppnå dess 19 MHz småsignalbandbredd och förändringstakt på 74 V/µs, men den här förstärkningskretsen kan förbruka mer ström beroende på signalen. Av den här orsaken kan externa dioder användas med ADHV4702-1 för att begränsa dess spänning på differentialingången (figur 9).

Figur 9: Externa dioder vid ingången till ADHV4702-1 skyddar enheten från de termiska effekterna av förstärkningskretsens höga ström genom att begränsa spänningen på dess differentialingång. (Bildkälla: Analog Devices)

Detta skyddar förstärkaren i dynamisk drift, men begränsar förändringstakten och storsignalbandbredden och begränsar därigenom strömmen som produceras av förändringsförstärkningskretsen och minskar den interna effektförlusten (figur 10).

Figur 10: Dynamiskt SOA vid omgivningstemperaturer på 25 °C och 85 °C, med och utan låsdioder, under samma villkor som statiskt SOA. (Bildkälla: Analog Devices)

Det är inte alla högspänningsdrivkretsar som innefattar termiskt skydd eftersom det breda SOA gör en intern krets för begränsande. Till exempel är PA52 från Apex Microtechnology en förstärkare med hög spänning och hög effekt som kan leverera upp till 40 A (kontinuerligt)/80 a (topp) vid en förändringshastighet på 50 V/µs över en enpolig eller bipolär spänningssvängning på 200 V. Eftersom spridningsnivåerna kan vara så höga är SOA-tabellen för den här enheten ett kritiskt element i systemkonstruktion som omfattar både DC- och pulslägen (figur 11).

Figur 11: SOA för en förstärkare med hög spänning (±100 V) och hög ström (80/40 A), som PA52 från Apex Microtechnology, varierar över ett stort område beroende på om den används i stationärt läge eller pulsläge. (Bildkälla: Apex Microtechnology)

För PA52 kommer konstruktörerna förmodligen vilja lägga till en extern strömavkännande resistor på primärsidan mellan utgång och belastning för att mäta den utgående strömmen och därigenom beräkna effekten. Att dimensionera den här resistorn är alltid en avvägning mellan ett högt resistansvärde och ett lägre resistansvärde. Högre resistans ger en högre signal och högre signal-brusförhållande (SNR), medan lägre resistans både minimerar resistorns självavledning och minskar den levererade uteffekten.

En bra startpunkt är att välja resistorvärde så att den spänning som utvecklas över den är 100 mV vid maximal lastström. Avkänningskretsen måste även vara kompatibel med höga common-mode-spänningar (CMV). I de flesta fall krävs en isolerad avkänningskrets av flera skäl: avkänd signalintegritet, skydd av resten av kretsarna och användarsäkerhet.

Försörjning och lagstadgade krav

En högspänningsförstärkare innebär mycket mer än bara ett schema och en materiallista, eftersom specifik fysisk layout blir kritiskt. För kretsar som arbetar över 60 V finns det säkerhetsaspekter och standarder vid implementering (det faktiska värdet beror på sluttillämpningen och landet/området). För dessa konstruktioner med högre spänning måste användarna besluta hur de skiljer de högre spänningarna från de lägre, säkrare spänningarna. Det kan innefatta en eller flera mekaniska metoder som barriärer, slussar, isolering eller avstånd.

Dessutom måste layouten uppfylla regleringar om minimalt krypavstånd och minimiavstånd för komponenter och kretskortsspår så att ljusbågar och överslag inte kan uppstå. Dessa mått är beroende av spänningen och den förväntade användningsmiljön (fukt och damm jämfört med en ren, torr miljö). Det kan vara klokt att anlita en konsult som är expert på dessa områden eftersom standarderna är komplexa med många subtiliteter och den formella godkännandeprocessen kräver både analyser av designens layout, konstruktion, material, dimensioner och material samt en modell för provning.

I princip är en låg-till-högspännings AC/DC- eller DC/DC-strömförsörjning enkel och kan byggas med en fullvågslikriktare (för AC) tillsammans med en spänningsmultiplikatorkrets som består av dioder och kondensatorer. Dock medför utformning av högspänningsförsörjningar många praktiska problem som att säkerställa att dessa passiva enheter har korrekta spänningsvärden.

Även placeringen av strömförsörjningen kan vara ett problem. I tillämpningar som endast har lågspänningsförsörjning (i storleksordningen tiotals volt eller mindre) kan ett alternativ vara att dra lågspänningsledningar till en blockerad spänningsmultiplikator som sitter nära högspänningsoperationsförstärkarnas funktioner. Strömförbrukningen vid lägre spänning innebär ytterligare ström-resistansfall (IR) och I²R-effektförlust i dessa kablar och det kan uppväga fördelarna med separationen. Det andra alternativet är att dra högspänningskablarna över sträckan och därigenom minska förlusten, men öka på säkerhets- och regleringskraven.

Valet mellan att tillverka eller köpa

Om konstruktionsteamet inte är kunnigt och erfaret är det oavsett placering normalt bäst att köpa högspänningsförsörjningen istället för att försöka designa och bygga den. Dessa försörjningar medför många problem och det är svårt att få certifiering. En strömförsörjning gör mycket mer än att bara ta en ingående spänning och transformera den till önskad utspänning:

• Den måste vara exakt och stabil
• Den måste uppfylla målen för rippel- och transientprestanda
• Den ska innehålla olika skydds- och avstängningsfunktioner
• Den ska uppfylla EMI-standarderna
• Den kan även behöva vara galvaniskt isolerad

Det finns många tillgängliga högre spänningsförsörjningar från lågströmmodeller till sådana som kan leverera flera ampere eller mer. Till exempel är FS02-15 från EMCO High Voltage division på XP Power en kretskortsmonterad, isolerad högspänningsmodul (figur 12). Den är 57 x 28,5 x 12,7 mm, och drivs med en DC-försörjning på 15 V och tillhandahåller 200 V (±100 V) vid 50 mA. Modulen uppfyller alla prestandakrav och lagstadgade krav samtidigt som den även innefattar de funktioner som nu är standard och förväntas i en fullutrustad försörjning.

Figur 12: Färdiga försörjningar som FS02-15 från XP Power, som levererar ±100 V vid 50 mA från en spänningsmatning på 12 V, eliminerar design- och efterlevnadsproblem som är förknippade med säker tillförsel av isolerad ström för operationsförstärkare med hög spänning. (Bildkälla: XP Power)

Sammanfatttning

Operationsförstärkare med hög spänning är ett måste i många elektroniksystem inom instrumenttillverkning, medicin, fysik, piezoelektriska transduktorer, laserdioder med mera. Medan konstruktörerna kan använda operationsförstärkare som är kompatibla med dessa spänningar måste deras attribut och begränsningar förstås tydligt med tanke på de prestanda, termiska, efterlevnads- och säkerhetsrelaterade hänsyn som måste tas på grund av deras >100 V drift.